62
Model Pengeringan Lapisan Tipis Rebung Bambu “Tabah” (Gigantochloa nigrociliata KURZ)
Gede Arda1*), P.K. Diah Kencana1), IBP. Gunadnya1), Ni Luh Yulianti1) 1)
Program Studi Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, Universitas Udayana *Email:gedearda@unud.ac.id
Abstrak
Rebung bambu tabah (Gigantochloa nigrociliata KURZ) merupakan produk khas daerah Pupuan, Tabanan, Bali yang mempunyai potensi untuk dikembangkan sebagai produk yang bernilai ekonomis. Kajian awal proses pengeringan rebung untuk meningkatkan umur simpan rebung bambu Tabah dilakukan pada penelitian ini. Kurva laju pengeringan rebung bambu Tabah memberikan informasi penting untuk proses pengeringan. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah mempelajari karakteristik laju pengeringan rebung bambu Tabah melalui aplikasi model pengeringan lapisan tipis. Rebung bambu Tabah yang dibelah menjadi dua dan empat bagian dikeringkan pada suhu 50oC, 60oC, dan 70oC. Perubahan kadar air setiap saat kemudian dimodelkan dengan model Newton dan Page. Kesesuaian model yang digunakan dievaluasi dengan menentukan nilai koefisien determinasi (r2) dan RMSE dari model. Hasil menunjukkan bahwa model Page lebih baik digunakan untuk memodelkan pengeringan rebung bambu Tabah pada semua perlakuan. Model Newton menunjukkan ketidaksesuaian yang sangat tinggi pada suhu 50oC namun kesesuaiannya meningkat pada suhu yang lain.
Kata kunci : Rebung bamboo tabah, model pengeringan lapisan tipis
Thin Layer Drying Model of Bamboo Shoots “Tabah” (Gigantochloa nigrociliata KURZ)
Gede Arda1*), P.K. Diah Kencana1), IBP. Gunadnya1), Ni Luh Yulianti1) 1)
Department of Agricultural Engineering, Faculty of Agricultural Technology, University of Udayana
*Email:gedearda@unud.ac.id
Abstract
Bamboo shoots Tabah (Gigantochloa nigrociliata KURZ) is a unique product of Pupuan District, Tabanan, Bali which is potent to be developed as highly value product. Preliminary study of the bamboo shoots drying to enhance its storage life was conducted in this research. Bamboo shoots Tabah’s drying rate curve give an important information for its drying process. Therefore, the aim of this research was to study the characteristics of bamboo shoots Tabah drying by applying thin layer drying models. Bamboo shoots split into two and four pieces were dried under drying air temperatures 50oC, 60oC, and 70oC. Instantaneous moisture content of the shoots are modeled by Newton and Page model. The goodness of the models were evaluated by determining its coefficient of determination (r2) and RMSE. The results showed that Page model was better to model the bamboo shoots Tabah drying process on all drying treatments. The Newton Model indicated the worst fit on drying air temperature 50oC while showed better fit on other temperatures.
Keywords : Bamboo shoots Tabah, thin layer drying models
JURNAL RONA TEKNIK PERTANIAN ISSN : 2085-2614
63 PENDAHULUAN
Pengeringan merupakan proses pengurangan bahan volatil secara termal, utamanya adalah air, untuk menghasilkan produk padatan. Air itu sendiri terikat secara lemah dalam kombinasi kimia, tersedia dalam bentuk larutan cair dalam padatan produk atau terjebak dalam struktur mikro dari padatan yang membuat tekanan uapnya lebih kecil dari tekanan uap air dalam bentuk cair yang biasa disebut dengan air terikat (Mujumdar, 2006). Pengeringan merupakan unit operasi yang paling banyak digunakan dalam memproses produk pertanian. Namun, pengeringan juga merupakan proses termal yang banyak memerlukan energy dan juga waktu dalam prosesnya. Itu sebabnya, metode pengeringan yang dikembangkan senantiasa ditujukan untuk mengurangi kebutuhan energi dan juga memperpendek waktu pengeringan dengan tetap mempertahankan kualitas yang diharapkan (Kassem et al., 2011).
Suatu proses pengeringan akan menghasilkan karakteristik laju pengeringan yang dapat diplot ke dalam kurva antara waktu dan rasio kadar air awal, kadar air pada saat tertentu dan kadar air keseimbangan. Kurva ini mempunyai peranan penting dalam mempelajari proses pengeringan serta bermanfaat dalam perancangan alat pengeringan yang sesuai. Salah satu manfaat dengan diperolehnya kurva laju pengeringan adalah dapat dilakukan prediksi terhadap kadar air produk setiap saat. Pemodelan laju pengeringan dengan model lapisan tipis sudah terbukti mampu memodelkan laju pengeringan dengan baik. Beberapa model tersedia dan juga sudah dikembangkan lebih lanjut untuk disesuaikan oleh para peneliti. Beberapa model yang telah tersedia untuk digunakan untuk mengevaluasi laju pengeringan disajikan dalam Table 1. Namun kurva laju pengeringan bersifat spesifik produk sehingga tidak setiap model dapat digunakan untuk semua produk. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa kerumitan model tidak selalu menghasilkan model yang lebih baik. Model matematis dengan pendekatan model lapisan tipis telah digunakan untuk pengeringan buah, sayuran, produk ikan dan juga produk pertanian dan perkebunan (Akpinar et al., 2003; Jain and Pathare, 2007; Jayas et al., 1991; Karathanos and Belessiotis, 1999; Midilli et al., 2002; Thuwapanichayanan et al., 2008; Yaldiz et al., 2001). Model dapat dikategorikan ke dalam tiga kelompok model yaitu model teoritis, semi teoritis dam model empiris. Model semi empiris memberikan kemudahan antara teori dan aplikasinya (Akpinar, 2006a). Model semi empiris ini diantaranya adalah model Newton (O’Callaghan et al., 1971), model Page (Akpinar et al., 2003), model Henderson and Pabis (Karathanos and Belessiotis, 1999), model Logaritmik (Yaldiz et al., 2001), model Dua Suku (Two-Term) (Togrul and Pehlivan, 2004), model Dua Suku Eksponesial (Two-Term Exponential)(Akpinar et al., 2003), model Verma et al. (Verma et al., 1985) dan model Midilli–Kucuk (Midilli et al., 2002).
64
Karena kemampuan dari aplikasi model ini dalam mempelajari laju pengeringan berbagai produk menarik untuk diterapkan pada pengeringan rebung bambu Tabah (Gigantochloa nigrociliata KURZ). Rebung bambu Tabah merupakan salah satu jenis bambu yang awalnya banyak terdapat di daerah Pupuan, Kabupaten Tabanan, Bali. Setiap musim hujan, rebung bambu Tabah dipanen kemudian dijual dipinggir jalan ataupun ke pasar terdekat dalam bentuk rebung utuh. Karena terbatasnya musim panen, yaitu bulan Desember sampai bulan Maret, mendorong dilakukannya pengembangan teknologi pasca panen rebung bamboo Tabah. Beberapa teknik pascapanen yang telah dilakukan adalah membuat rebung bambu rebus (steamed bamboo shoots) serta rebung bambu tabah kering, meskipun beberapa teknik masih bersifat kajian awal. Untuk mendukung kajian terhadap teknik pengeringan rebung bambu tabah, perlu dilakukan studi tentang aplikasi model pengeringan lapisan tipis untuk rebung bambu tabah.
METODE PENELITIAN
Dalam penelitian ini dipelajari pengaruh dari ukuran rebung yang dikeringkan dengan membagi rebung menjadi 2 bagian (belah 2) dan 4 bagian (belah 4). Kenampakan dari rebung bambu Tabah yang belum dan telah dikupas serta dibersihkan ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2.
Gambar 1. Rebung yang belum dikupas Gambar 2. Rebung yang sudah dikupas
Selanjutnya tahapan metode yang dilakukan pada penelitian ini diuraikan sebagai berikut :
2.1 Penurunan model
Model yang digunakan dalam penelitian ini hanya menggunakan model semi empiris sederhana yaitu model Newton dan model Page. Sebelum model siap digunakan terlebih dahulu dilakukan linierisasi model dengan langkah-langkah sebagai berikut :
65 a. Model Newton
……… (1)
……… (2)
Persamaan 1 berubah bentuk menjadi Persamaan 2 yang memenuhi bentuk persamaan linier sehingga dapat diidentifikasi menjadi variable dan konstannya sebagai
berikut: ; ; dimana
MR adalah rasio kadar air; M adalah kadar air (basis kering); o,t,e menunjukkan kadar air awal, pada t tertentu, kadar air keseimbangan.
b. Model Page
……….. (3)
……….. (4)
Dengan cara yang sama, maka persamaan 4, dapat diidentifikasi variable dan konstanta
persamaannya sebagai berikut : ; ;
; ; MR adalah rasio kadar air; M adalah kadar air (basis kering); o,t,e menunjukkan kadar air awal, pada t tertentu, kadar air keseimbangan.
2.2 Prosedur Penelitian
Rebung bambu tabah dipanen secara selektif untuk mendapatkan rebung dengan kualitas yang baik yaitu, pelepah rebung masih putih dengan diameter relatif seragam. Setelah dipanen, rebung dicuci dan dibawa ke laboratorium untuk dikupas, kemudian dipotong sesuai dengan perlakuan. Rebung yang telah dikupas kemudian dipotong dengan panjang 10 cm; sebagian dibelah dua; sebagian dibelah empat. Pengeringan langsung
66
dilakukan setelah semua sampel siap. Rebung dikeringkan dalam oven (labo) dengan suhu 50oC, 60oC dan 70oC. Massa rebung ditimbang setiap 30 menit sampai diperoleh massa seimbang. Data yang diperoleh kemudian ditabulasi dan ditransformasi sesuai dengan kebutuhan dalam Persamaan 2 dan Persamaan 4.
2.3 Analisis Data
Data yang diperoleh kemudian ditabulasi dan ditransformasi sesuai dengan kebutuhan dalam Persamaan 2 dan Persamaan 4. Konstanta persamaan kemudian diekstrak melalui tahapan sebagai berikut: untuk model Newton, plot data waktu t dan
kemudian dicari persamaan liniernya dengan menggunakan menu trendline. Dari persamaan linier yang diperoleh kemudian diekstrak konstanta persamaan yang dibutuhkan yaitu nilai k.
Melalui cara yang identik, konstanta model Page dapat diperoleh dengan mengekstrak nilai k dan n dari persamaan linier yang diperoleh melalui menu trendline. Semua data dianalisis dengan menggunakan program Excel versi 2010 (Microsoft Inc. USA). Nilai kesesuaian model dalam memprediksi data laju pengeringan dinilai dengan menggunakan dua parameter yaitu koefisien determinasi (r2) dan Root Mean Square Error (RMSE) dimana nilai koefisien determinasi (r2) menunjukkan kemampuan untuk menggambarkan laju perubahan kadar air semakin baik apabila nilainya mendekati nilai 1 dan sebaliknya model semakin baik apabila nilai RMSE yang diperoleh semakin kecil. Kombinasi antara nilai koefisien determinasi dan RMSE akan menjadi acuan dalam penentuan model terbaik. Pengaruh pembelahan rebung sebelum dikeringkan dianalisis dengan uji t (t-test) terhadap nilai r2 dan RMSE antara rebung yang dibelah dua dan dibelah empat. Hasil uji t yang signifikan menunjukkan bahwa pembelahan rebung sebelum dikeringkan mempunyai pengaruh terhadap ketepatan model model serta sebaliknya, hasil uji yang tidak signifikan pada taraf 5% menunjukkan pembelahan rebung sebelum dikeringkan tidak berpengaruh pada model yang diperoleh.
Tabel 1. Model-model pengeringan lapisan tipis (thin layer drying models)
Model Persamaan Model Referensi
Newton Mr = exp(-kt) O’Callaghan et al. (1977) Page Mr = exp(-ktn) Agrawal and Singh (1977) Page Dimodifikasi Mr = exp((-kt)n) Diamante and Munro (1993) Henderson & Pabis Mr = a exp(-kt) Chhinman (1984)
67
Geometris Mr = at-n Chandra and Singh (1995) Wang & Singh Mr = 1 + at + btn Wang and Singh (1978) Eksponensial dua suku Mr = a exp(-kt) + (1-a)exp(-kat) Sharaf-Elden et al. (1980) Logaritmik Mr = ao + a exp(-kt) Chandra and Singh (1995)
Pendekatan Difusi Mr = a exp(-kt) + (1-a)exp(-kbt) Kassem (1998) Verma et al. Mr = a exp(-kt) + (1-a)exp(-gt) Verma et al. (1985) Dua suku Mr = a1 exp(-kt) + a2 exp(-k2t) Henderson (1974)
Midilli et al. Mr = a exp(-ktn) + bt Midilli et al (2002)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Model Newton merupakan model yang paling sederhana untuk digunakan memodelkan laju pengeringan atau laju perubahan kadar air dari suatu produk. Model ini mengasumsikan bahwa tidak ada hambatan bagi air untuk menuju ke permukaan produk dan kemudian menguap dapat diabaikan serta hambatan hanya terkonsentrasi pada permukaan saja (Temple and Boxtel, 1999). Namun Tabel 2 menyajikan bahwa model Newton sebagai model paling sederhana mampu menggambarkan laju perubahan kadar air. Ketidaktepatan model Newton dalam memodelkan laju perubahan kadar air terjadi pada suhu pengeringan 50oC dengan nilai koefisien determinasi dan RMSE pada belah 2 dan 4 masing-masing adalah 0.8093, 0.8216, 0.227 dan 0.201. Nilai ini menunjukkan bahwa kesalahan model dalam menggambarkan data eksperimen mencapai 18-22%.
Peningkatan kemampuan model meningkat pada suhu yang sama ketika digunakan model Page dimana nilai r2 meningkat secara signifikan mencapai 0.9946 dan 0.9988. Nilai RMSE juga menunjukkan penurunan yang mencapai satu digit lebih rendah. Secara umum Tabel 2 menunjukkan bahwa penggunaan model Page pada suhu pengeringan yaitu 50oC, 60oC, dan 70oC lebih baik daripada model Newton. Hal ini menunjukkan bahwa pada suhu rendah, hambatan bagi pergerakan air menuju permukaan produk mempunyai pengaruh besar terhadap laju pengeringan. Rebung bambu Tabah mempunyai kadar air 92% (bb) sehingga terdapat cukup air di permukaan produk untuk diuapkan. Namun seiring waktu pengeringan konsentrasi air permukaan semakin kecil. Perbedaan konsentrasi air di permukaan dan dalam produk membuat terjadinya perpindahan air dari dalam jaringan rebung menuju permukaan untuk kemudian menguap. Pada tahapan inilah pengaruh hambatan jaringan produk rebung bagi pergerakan air menuju permukaan menjadi besar. Hambatan ini dapat diatasi oleh kenaikan suhu pengeringan, sehingga pada suhu yang lebih tinggi penggunaan model Newton
68
dan Page mampu menggambarkan laju perubahan kadar air rebung bamboo Tabah dengan lebih baik. Hal ini dapat secara analogi didasarkan pada temuan Aregbesola et al. (2015) bahwa nilai difusivitas efektif dari kacang dika (Irvingia gabonensis) meningkat dengan kenaikan suhu.
Hasil uji t dilakukan untuk mengetahui apakah ketepatan model Newton dan Page menunjukkan perbedaan apabila model diterapkan pada rebung yang dibelah dua dan empat. Hasil analisis menunjukkan bahwa pembelahan tidak menunjukkan pengaruh terhadap model Newton dan Page. Sehingga dengan hasil analisis ini, dapat disimpulkan bahwa semua asumsi yang digunakan dalam model tidak dipengaruhi oleh pembelahan rebung.
Tabel 2. Konstanta model pengeringan lapisan tipis dan nilai koefisien determinasi serta RMSE SUHU BELA H JENIS MODEL KONSTANTA PERSAMAAN r2 RMSE k n 50 2 Newton 0,310 - Mr = exp 0.310t 0,8093 0,227 4 0,397 - Mr = exp 0.397t 0,8216 0,201 2 Page 0,028 1.812 Mr = exp 0.028t 1.812 0,9946 0,031 4 0,040 1.769 Mr = exp 0.040t1.769 0,9988 0,022 60 2 Newton 0,576 - Mr = exp 0.576t 0,9424 0,086 4 0,543 - Mr = exp 0.543t 0,9868 0,038 2 Page 0,277 1.286 Mr = exp 0.277t 1.286 0,9965 0,017 4 0,406 1.119 Mr = exp 0.406t1.119 0,9966 0,022 70 2 Newton 0,474 - Mr = exp 0.474t 0,9736 0,061 4 0,526 - Mr = exp 0.526t 0,9172 0,120 2 Page 0,280 1.292 Mr = exp 0.280t 1.292 0,9932 0,024 4 0,191 1.427 Mr = exp 0.191t1.427 0,9921 0,027
Gambaran perubahan kadar air selama proses pengeringan dan kadar air hasil pemodelan ditunjukkan oleh Gambar 2 sampai Gambar 3. Gambar 2 sampai Gambar 3 sangat menunjukkan bagaimana setiap model menggambarkan perubahan laju pengeringan setiap saat. Semakin berhimpit kedua kurva menunjukkan ketepatan model memprediksi kadar air rebung setiap saat (Mt). Sesuai dengan nilai r2 dan RMSE yang diperoleh dimana model Newton pada suhu 50oC baik rebung yang dibelah 2 atau 4 sama-sama menunjukkan ketidaktepat model terlihat sangat jelas pada Gambar 2a dan 2b.
69
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2. (a) 50oC belah 2 model Newton; (b) 50oC belah 4 model Newton; (c) 50oC belah 2 model Page; (d) 50oC belah 4 model Page
70
(c) (d)
Gambar 3: (a) 60 oC belah 2 model Newton; (b) 60 oC belah 4 model Newton; (c) 60 oC belah 2 model Page; (d) 60 oC belah 4 model Page
Sesuai dengan sifat dari persamaan eksponensial dimana nilai konstan model k dan n mencirikan perilaku dari model. Semakin besar nilai k baik bernilai positif ataupun negatif menunjukkan laju perubahan variabel terikatnya, dalam persamaan model lapisan tipis ini adalah laju perubahan kadar air setiap saat, semakin cepat untuk menuju suatu nilai tertentu secara asimtotik yaitu kadar air keseimbangan. Secara teoritis, laju pengeringan akan semakin cepat apabila suhu pengeringan semakin tinggi. Perubahan ini seharusnya tergambar dalam perubahan nilai konstanta model k dan n, yaitu semakin tinggi dengan semakin tingginya suhu pengeringan. Namun hasil analisis menunjukkan hal yang berbeda. Suhu tidak mempunyai hubungan yang sebanding dengan nilai konstanta model. Temukan ini menunjukkan temuan yang sama dengan apa yang dilaporkan oleh Aregbesola et al. (2015)
KESIMPULAN
Antara dua model semi empiris yang diterapkan pada proses pengeringan rebung bamboo tabah, model Page menunjukkan keunggulannya dalam memodelkan perubahan kadar air rebung bamboo tabah yang dikeringkan pada suhu 50, 60, 70. Namun, model Newton mampu menunjukkan kesesuaiannya untuk digunakan memodelkan proses pengeringan rebung bamboo tabah pada suhu 60 dan 70 dengan nilai r2 dan RMSE yang tidak berbeda dengan model Page. Meskipun dalam proses analisisnya lebih sederhana, namun untuk memodelkan laju perubahan kadar air rebung bamboo tabah yang dikeringkan lebih disarankan menggunakan model Page daripada Model Newton.
71
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 4. (a) 70oC belah 2 model Newton; (b) 70oC belah 4 model Newton; (c) 70oC belah 2 model Page; (d)70oC belah 4 model Page
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih sebesar-besarnya peneliti sampaikan kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Udayana atas dana yang telah disediakan untuk melakukan penelitian ini. Terima kasih juga peneliti sampaikan kepada Pusat Penelitian Bambu Universitas Udayana atas bantuannya di lapangan untuk mengkordinasikan kelompok tani sehingga semua kebutuhan rebung bamboo tabah dapat dipenuhi untuk penelitian.
DAFTAR PUSTAKA
Agrawal, Y.C. and Singh, R.P., 1977, Thin-layer drying studies on short-grain rice, ASAE
Paper, No. 77-3531 (St. Joseph, MI, USA).
Akpinar, E.K., 2006a. Determination of suitable thin layer drying curve model for some vegetables and fruits. Journal of Food Engineering 73, 75–84.
Akpinar, E.K., Bicer, Y., Yildiz, C., 2003. Thin layer drying of red pepper. Journal of Food
72
Aregbesola, O.A., B.S Ogunsina, A.E. Sofolahan, N.N. Chime. 2015. . Mathematical modeling of thin layer drying characteristics of dika (Irvingia gabonensis) nuts and kernels .Nigerian Food Journal 33 (2015) 83–89.
Chandra, P.K. and Singh, R.P., (1995). Applied Numerical Methods for Food and
Agricultural Engineers. (CRC Press, Boca Raton, FL), pp. 163–167.
Chandra, P.K. and Singh, R.P., (1995). Applied Numerical Methods for Food and
Agricultural Engineers. (CRC Press, Boca Raton, FL), pp.163–167.
Chhinman, M.S., 1984, Evaluation of selected mathematical models for describing thin layer drying of in-shell pecans. Trans ASAE, 27: 610–615.
Diamante, L.M. and Munro, P.A., 1993, Mathematical modelling of the thin layer solar drying of sweet potato slices. Solar Energy,51: 271–276.
Henderson, S.M., 1974, Progress in developing the thin-layer drying equation. Trans ASAE, 17: 1167–1168.
Jain, D., Pathare, P.B., 2007. Study the drying kinetics of open sun drying of fish. Journal of
Food Engineering 78, 1315–1319.
Jayas, D.S., Cenkowski, S., Pabis, S., Muir, W.E., 1991. Review of thin layer drying and wetting equations. Drying Technology 9 (3), 551–558.
Karathanos, V.T., Belessiotis, V.G., 1999. Application of a thin layer equation to drying data of fresh and semi-dried fruits. Journal of Agricultural Engineering Research 74, 355– 361.
Kassem, A.S., 1998, Comparative studies on thin layer drying models for wheat, In
Proceedings of the 13th International Congress on Agricultural Engineering, Vol. 6
Kassem, A.S.. A.Z. Shokr, A.R. El-Mahdy, A.M. Aboukarima, E.Y. Hamed. 2011. Comparison of drying characteristics of Thompson seedless grapes using combined microwave oven and hot air drying, Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences (2011) 10, 33–40. http://dx.doi.org/10.1016/j.jssas.2010.05.001
Midilli, A., Ku¨ c，u¨ k, H. and Yapar, Z., 2002, A new model for single layer drying. Dry
Technol, 20(7): 1503–1513.
Mujumdar, Arun S.. 2006. Handbook of industrial drying, third edition, Taylor & Francis Group, LLC. New York
O’Callaghan, J.R., Menzies, D.J. and Bailey, P.H., 1971, Digital simulation of agricultural dryer performance. J Agric Eng Res, 16(3): 223–244.
Sharaf-Elden, Y.I., Blaisdell, J.L. and Hamdy, M.Y., 1980, A model of ear corn drying.
73
Thuwapanichayanan, R., Prachayawarakorn, S., Soponronnarit, S., 2008. Drying characteristics and quality of banana foam mat. Journal of Food Engineering 86, 573– 583.
Verma, L.R., Bucklin, R.A., Endan, J.B. and Wratten, F.T., 1985, Effects of drying air parameters on rice drying models. Trans. ASAE, 296–301
Wang, C.Y. and Singh, R.P., 1978, A single layer drying equation for rough rice, ASAE
Paper, No. 78-3001 (St. Joseph, MI, USA).
Yaldiz, O., Ertekin, C., Uzun, H.B., 2001. Mathematical modelling of thin layer solar drying of sultana grapes. Energy 26, 457–465.
